Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique

Le Nb3Sn est un matériau supraconducteur utilisé dans la fabrication de conducteurs d'électro-aimants à haut champ, et est essentiel pour les futurs accélérateurs de particules. Différentes méthodes de mise en forme existent pour ces conducteurs, mais toutes nécessitent un traitement thermique à des températures supérieures à 600°C afin de permettre la formation du Nb3Sn. Pendant ce traitement thermique, différentes phases intermédiaires se forment, entraînant une évolution des déformations des conducteurs. Il est nécessaire de quantifier ces déformations afin d'assurer l'intégrité de l'électro-aimant et du champ magnétique qu'il génère. Cependant, les mécanismes sous-jacents à ces déformations ne sont pas encore entièrement compris, et il n'existe actuellement pas de modèle permettant d'évaluer l'état thermomécanique du conducteur pendant le traitement thermique.

Le travail présenté traite de l'étude des phénomènes mécaniques qui se produisent pendant le traitement thermique du Nb3Sn. Une analyse microscopique des phénomènes a été menée au niveau du sous-élément, et a permis d’identifier et de quantifier la dynamique des changements de phase. Une mesure expérimentale in situ des déformations des câbles et des brins à l’aide de la corrélation d’images numériques a été réalisée : les changements de dimensions longitudinaux ont permis de confirmer des comportements reportés dans la littératures pour des conducteurs similaires, et a fourni pour la première fois des valeurs de changements de dimensions transversales. Une modélisation thermo-chemo-élastique du brin a enfin été proposée, en prenant en compte les phénomènes de changements de phase à l’échelle des sous-élements, ainsi que l’état thermomécanique à l’échelle du brin. Ces modèles permettent pour la première fois d’estimer l’état mécanique d’un conducteur pendant le traitement thermique.

The Nb3Sn phase is a superconducting material used in the fabrication of high-field electro-magnet conductors, and is essential for future particle accelerators. Numerous methods exist for shaping these conductors, but all require a heat treatment at temperatures above 600°C in order to form the Nb3Sn. During this heat treatment, different intermediate phases appear, resulting in an evolution of conductors deformations. It is necessary to quantify these deformations to ensure the integrity of the electro-magnet and the generated magnetic field. However, the underlying mechanisms behind these deformations are not yet fully understood, and currently, there is no model available to estimate the thermo-mechanical state of the conductor during the heat treatment.
The present work focuses on studying the mechanical phenomena occuring during the heat treatment of Nb3Sn conductors. A microscopic analysis of the phenomena was conducted at the sub-element scale, allowing for the identification and quantification of phase change dynamics. In situ experimental measurement of cable and strand deformations using digital image correlation was performed. The longitudinal dimensional changes confirmed behaviors reported in the literature for similar conductors and provided, for the first time, values for transverse dimensional changes. A thermo-chemo-elastic modeling of the strand was proposed, taking into account the phase change phenomena at the sub-element scale, as well as the thermomechanical state at the strand scale. These models provide, for the first time, an estimation of the mechanical state of a conductor during thermal processing.